一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法

1.本发明涉及低温真空技术领域，更具体的涉及一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法。


背景技术：

2.在聚变研究领域，托卡马克是一种目前被广泛研究的核聚变装置类型，具有很大的应用潜力，被认为是未来清洁、可持续的能源解决方案之一。在托卡马克装置中，需要实现超高真空环境，以确保高能离子在等离子体中自由运动，从而实现核聚变反应。因此，真空抽气系统在托卡马克装置中具有重要的应用意义。
3.真空抽气系统在托卡马克装置中的主要作用是通过抽取气体，创建和维持超高真空环境，以确保等离子体的稳定运行。气体通量的控制，特别是氘氚聚变反应产生的氦灰控制，是影响聚变反应堆性能和稳态运行的关键问题之一。低温泵作为一种常见的抽气设备，具有对氢同位素以及氦和不同的杂质抽速大等显著优点，除此还对托卡马克的背景磁场和中子辐照表现出显著的抗干扰能力。iter、east、jet等全球知名大型托卡马克装置均采用低温泵作为等离子体抽气方式，且低温泵也被公认为是未来聚变反应堆的堆芯抽气系统。
4.低温泵运行周期分为抽气和再生两个独立阶段。在托卡马克等离子体实验中，托卡马克低温泵通过抽取等离子体中的气体，维持等离子体的真空环境。在抽气过程中，未燃烧的氘氚燃料以及聚变氦灰通过低温吸附或者低温冷凝的方式被4.5k低温吸附板“捕获”，从而维持等离子体的稳定运行。随着低温泵抽气时间延长，低温吸附或低温冷凝逐渐达到饱和，从而降低低温泵的抽气效率。为了恢复低温泵的抽气性能，需要对低温泵进行周期性再生。在托卡马克上需要安装多套低温泵，在任意时刻，一半低温泵处于抽气模式，另一半处于再生模式。多台低温泵不断交替工作与再生，可实现大流量高效抽气，从而保障托卡马克稳态运行。同时，缩短低温泵再生时间可有效减少总低温泵数量，对于托卡马克稳态安全运行具有重要意义。
5.具体地，低温泵热解再生方式分为自然回温再生、热气体冲洗再生以及电加热再生方式。上述传统的再生方式在加热效率上存在限制，无法满足快再生要求，而且时间长了会引起高氚滞留及氚损耗，原因是氢同位素容易衰变，再生时间过长，氢同位素容易衰变后不能再循环利用，不利于聚变堆运行效率及经济性。此外，电加热再生方式虽然加热速率较快，但是对低温泵内低温冷板温度的可控性较差。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法，用于解决相关技术中再生时间长、加热温度可控性差的问题。
7.本发明实施例提供一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统，其特征在于，应用于托卡马克装置，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室
中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程；所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数；所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板产生感应电流而温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；所述低温冷板内设置第一冷却通道，所述第一冷却通道用于通入第一冷却介质后，降低所述低温冷板的温度，以使所述低温泵重获抽气能力。
8.可选地，所述低温泵还包括推动组件、冷屏和辐射障板；所述冷屏位于所述泵壳和所述感应线圈之间，所述冷屏一方面用于吸收所述感应线圈通电产生的焦耳热，另一方面用于隔绝所述泵壳外部的热辐射；所述辐射障板位于所述低温冷板内侧，用于对进入所述低温泵中的气体进行预冷；所述推动组件连接阀门，所述推动组件用于控制所述阀门的打开和关闭。
9.可选地，所述低温泵还包括用于固定所述感应线圈的线圈夹持结构；所述线圈夹持结构包括基座和与所述基座配合安装的夹具；所述基座与所述夹具配合安装时，所述感应线圈被夹在所述基座与所述夹具之间；所述基座与所述夹具与所述感应线圈接触的位置设置有陶瓷筒，用于在所述感应线圈通电时，所述线圈夹持结构与所述感应线圈隔离。
10.可选地，所述低温泵中还设置有压力传感器和设置在所述泵壳的所述第二端的泄压阀，所述泄压阀通过设置在所述泵壳所述第二端的泄压阀接口与所述低温泵内部连通；所述压力传感器连接所述系统器，所述压力传感器用于监测所述系统内的压力信号，并将所述压力信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器用于在接收所述压力信号后，调节所述可调射频源的所述工作参数，或控制所述泄压阀的启闭。
11.可选地，还包括连接在所述感应线圈和所述可调射频源之间连接的阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于匹配所述感应线圈和所述可调射频源的阻抗，以使所述可调射频源向所述感应线圈传输的能量最大化。
12.可选地，所述低温泵还包括设置在所述泵壳的第二端的电极法兰；所述感应线圈内还设置有用于流通第二冷却介质的第二冷却通道；所述感应线圈穿过所述电极法兰，在所述电极法兰一侧预留有线圈引出段；所述线圈引出段为所述感应线圈的一部分，所述线圈引出段用于连接外部冷水机，将所述第二冷却通道内的第二冷却介质与所述外部冷水机的第二冷却介质进行循环，从而带走所述感应线圈产生的焦耳热；所述电极法兰上设置有连接所述线圈引出段的电极接口，所述电极接口用于将所述可调射频源产生的电流引入所述感应线圈。
13.本发明实施例还提供一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生方法，包括：控制低温泵阀门开启之后，在真空室与抽气系统通道打开的情况下，获取质谱仪采集的所述低温泵内的第一气体含量；确定所述第一气体含量是否达到预设值；所述预设值存储在系统控制器的控制程序中；当确定所述第一气体含量达到所述预设值时，控制所述阀门关闭；控制可调射频源打开，以使感应线圈产生的磁场使低温冷板产生感应电流而温度升高；控制机械泵开启，以对所述低温泵抽气，使所述低温泵内产生的气体排出；通过温度传感器对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所述可调射频源的参数进行调节；从所述质谱仪获取预设第一时间段内的所述低温泵内的第二气体含量的变化情况；根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，并在确定所述解吸阶段完成后，向所述低温冷板的第一冷却通道中通入第一冷却介质，以使所述低温冷板的温度降至预设吸附温度，以使所述低温泵重获抽气能力。
14.可选地，所述对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所述可调射频源的参数进行调节，具体包括：获取温度传感器传输的低温冷板的温度信号，并根据所述温度信号确定所述低温冷板的温度是否达到所述气体的目标解吸温度；当确定所述温度信号未达到所述目标解吸温度时，调大可调射频源的电流以增加感应线圈作用于所述低温冷板上的感应热。
15.可选地，其特征在于，所述根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，具体包括：当所述第二气体含量变化时，确定所述低温泵的解吸阶段未完成；当所述第二气体含量未变化时，确定所述低温泵的解吸阶段完成。
16.本发明实施例至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法，应用于托卡马克装置，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵
与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程；所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数；所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板产生感应电流而温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；该低温泵再生系统通过感应加热加热低温冷板，并利用感应电流的集肤效应实现低温冷板表层快速升温，从而使低温泵快速再生。另外，根据温度传感器传输的温度信号，可以通过调整可调射频源的工作参数实现低温泵解吸时对低温冷板温度的精确控制。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统连接示意图；图2为本发明实施例提供的一种低温泵结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种低温冷板截面图；图4为本发明实施例提供的一种线圈夹持结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种电极法兰组件结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生方法流程图；图7为本发明实施例提供的一种基于感应加热方法的镀镍不锈钢低温冷板升温曲线与不锈钢低温冷板升温曲线对比图。
19.附图标记：1-阀门；2-泵壳；3-冷屏；4-感应线圈夹持结构；5-感应线圈；6-低温冷板；601-吸附剂；602-镍层；603-不锈钢板层；604-第一冷却通道；7-辐射障板；401-夹具；402-第一螺栓组件；403-第一绝缘陶瓷筒；404-基座；8-推动组件；9-电极法兰；901-第二螺栓组件；
902-电极法兰盖；903-第二绝缘陶瓷筒；501-冷却回路接口；502-电极接口；10-排气口；11-气缸组件；12-泄压阀接口。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.图1为本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统连接示意图。如图1所示，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程。
22.具体地，托卡马克装置运行时，是以氘氚气体为反应燃料，氘氚反应后会产生氦灰。托卡马克装置内部的真空室中存在未反应掉的氘氚气体以及反应产物氦灰，低温泵连接托卡马克的真空室，对真空室中未反应掉的氘氚气体以及反应产物氦灰进行吸附，保证真空室的真空度，以使托卡马克装置能正常稳定运行。
23.低温泵在吸附了未反应掉的氘氚气体以及反应产物氦灰之后，再生时，吸附的氘氚气体以及反应产物氦灰解吸，连接低温泵的机械泵将解吸的氘氚气体以及反应产物氦灰从低温泵中抽出。机械泵通过提供足够的气体流速和压差，将吸附氘氚燃料和氦灰从低温泵中抽离。
24.低温泵上连接质谱仪，可以监测低温泵内的氘氚分压，也就是氘氚气体的含量，根据低温泵内氘氚气体的含量可以判断低温泵是否仍具有良好的抽气效果。当低温泵吸附能力趋近饱和时，低温泵内的氘氚气体的含量逐渐增加，低温泵的抽气效果就会越来越差，因此，需要通过质谱仪来监测低温泵内的氘氚气体的含量，以判断低温泵的抽气效果。另外解吸过程中，低温泵中解吸的气体越来越多，当解吸趋近于完成时，低温泵内氘氚气体的含量变化会越来越小，直至不再变化，因此还可以通过质谱仪来监测解吸进程到了什么程度。
25.可调射频源是一种激励源，可调整频率和功率、来控制感应加热深度和均匀性。可调射频源应具有输出功率可调、频率可调、工作模式可调的特点。工作模式包括连续工作和脉冲工作模式，多种保护功能包括过流保护、过压保护、过温保护。
26.系统控制器与系统中的多个部件连接和通讯，协调控制整个系统的运行。
27.所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制
器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数。
28.具体地，图2为本发明实施例提供的一种低温泵结构示意图。
29.如图2所示，低温泵的泵壳2内部安装有圆周阵列分布的多个低温冷板6，多个低温冷板6以一定的夹角倾斜圆周排布在低温泵体内，使得整个低温泵系统在有限的空间内可以容纳更多的冷板，从而增加了吸附剂601的吸附面积。这种排布方式充分利用了低温泵的内部空间，优化了系统的性能，提高了吸附效果。低温泵第一端设置阀门1，阀门1打开时，真空室中的氘氚燃料和氦灰可以通过阀门1进入低温泵中，然后被低温冷板6吸附。当低温冷板6吸附气体的能力饱和时，阀门1关闭，阻隔了低温泵内部与真空室之间气体的流通，同时系统控制器控制另外一组低温泵打开，对真空室抽气。阀门1的打开和关闭是由系统控制器控制的。
30.图3为本发明实施例提供的一种低温冷板截面图。
31.如图3所示，低温冷板6为三层结构，这三层结构分别是不锈钢板层603、镀在不锈钢板层603一侧的镍层602和附着在镍层602外部的吸附剂601。吸附剂601可以为活性炭或分子筛。因为感应加热产生的涡流主要集中在金属表面附近，形成集肤效应，使得低温冷板6表面温度的加热速率显著提升。集肤效应是指当导体中有交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。由于在低温下镍与不锈钢的电导率较为接近，但镍的磁导率远高于不锈钢的磁导率。因此，在感应加热时，相比于不锈钢板表面，镀镍不锈钢板感应加热涡流产生的磁滞损耗更大，导致镍更容易被加热，从而加速吸附剂601所吸附气体分子的释放。同时，不锈钢板层603的温度保持在相对较低的水平，以防止整体温度过高，大幅度减少后续使用低温泵再次抽气前对低温冷板6的降温需求。吸附剂601能够捕获气体的原理是低温冷板6的温度低于氘氚气体的冷凝温度，进入低温泵中气体被冷凝或吸附在低温冷板6上。
32.低温泵内设置有多个温度传感器，分别对低温泵内不同位置处温度进行监测，然后生成温度信号，将温度信号传输至与温度传感器连接的系统控制器，温度传感器的敏感单元与被测结构之间设有绝缘陶瓷，此外，温度传感器具有屏蔽功能且已通过校准，以提高其抗干扰能力和精度。系统控制器接收到温度信号后，对温度信号进行处理和分析，并根据预定的控制策略和多源信息融合算法进行决策，生成相应的控制信号，发送到可调射频电源，以调节射频电源的输出功率、频率以及工作模式。感应加热频率需根据加热深度和速度的需求进行调整，高频优先加热表面，低频有助于内部加热的均匀性，通过调节射频电源的输出功率、频率以及工作模式实现对低温冷板6上感应热的精确控制，也保证了不同位置处的温度达到预设要求，实现了加热的均匀性。用于监测低温冷板6和感应线圈5的温度传感器具有高响应速率、低响应时间的特点。
33.所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板产生感应电流而温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；
所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；所述低温冷板内设置第一冷却通道，所述第一冷却通道用于通入第一冷却介质后，降低所述低温冷板的温度，以使所述低温泵重获抽气能力。
34.具体地，如图1所示，可调射频源与感应线圈5电连接，可调射频源对感应线圈5提供电流，使感应线圈5产生磁场，产生的磁场作用于低温冷板6，使得低温冷板6被加热。通过调整可调射频源的功率和输出功率、频率，可以调整感应线圈5作用在低温冷板6上的感应热的大小。感应线圈5为低温冷板6射频感应加热单元。
35.需要说明的是，在选择感应线圈5时，需要合理选择感应线圈5的加热参数，以控制集肤效应，保证加热效果的均匀性和稳定性。这可以通过调整感应加热频率、线圈设计和导体材料等方式来实现。对于在低温下感应加热圆周阵列式长条状低温冷板6，线圈结构应选择长且窄型式，能够紧贴或近似匹配待加热物体的形状，以实现均匀且有效的加热。线圈匝数的选择也非常关键，匝数越多，感应产生的磁场越强，加热效果更佳。然而，也要考虑到线圈匝数增加会导致线圈的尺寸变大，可能对安装空间造成影响。感应加热频率需根据加热深度和速度的需求进行调整，高频优先加热表面，低频有助于内部加热的均匀性。线圈的导体材料通常会选择具有高电导率和低磁导率的材料，如铜材。这样可以提高能效和加热效果。
36.在低温泵的泵壳2上正对阀门1的第二端设置排气口10，排气口10连接机械泵。在低温泵中解吸的氘氚燃料和氦灰充斥在低温泵中，机械泵通过排气口10将低温泵中的氘氚燃料和氦灰抽出。
37.如图3所示，低温冷板6的不锈钢板层603内部设置有第一冷却通道604，在机械泵将低温泵中的氘氚燃料和氦灰抽出后，需要再次降低低温冷板6的温度至氘氚气体的冷凝温度之下。第一冷却冷通道604能够在感应加热再生后提供快速的降温，使低温冷板6快速恢复低温状态。在第一冷却通道604中通入液氦降低低温冷板6的温度，以使低温泵重获抽气能力，另外，低温泵在抽气过程中，在第一冷却通道604中通入第一冷却介质，可以维持低温冷板6的温度。机械泵与系统控制器连接，系统控制器控制机械泵的开启和关闭，以及控制机械泵的抽气速度。低温冷板6和感应线圈5上均设置有温度传感器，分别用于监测低温冷板6和感应线圈5上的温度。
38.综上，本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法，应用于托卡马克装置，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程；所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；
所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数；所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板产生感应电流而温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；该低温泵再生系统通过感应加热加热低温冷板并利用感应电流的集肤效应实现低温冷板表层快速升温，从而使低温泵快速再生。另外，根据温度传感器传输的温度信号，可以通过调整可调射频源的工作参数实现低温泵解吸时对低温冷板温度的精确控制。
39.在一种可能的实施方式中，所述低温泵还包括推动组件、冷屏和辐射障板；所述冷屏位于所述泵壳和所述感应线圈之间，所述冷屏一方面用于吸收所述感应线圈通电产生的焦耳热，另一方面用于隔绝所述泵壳外部的热辐射；所述辐射障板位于所述低温冷板内侧，用于对进入所述低温泵中的气体进行预冷；所述推动组件连接阀门，所述推动组件用于控制所述阀门的打开和关闭。
40.具体地，如图2所示，低温泵中的冷屏3位于泵壳2和感应线圈5之间，因为感应线圈5产生磁场时，感应线圈5过热可能会降低加热效率。因此设置冷屏3靠近感应线圈5，可以带走部分焦耳热。另外，低温泵在抽气时，需要保持内部低温，冷屏3设置在泵壳2内，可以隔绝泵壳2外部的热辐射，防止外部热辐射对低温泵内部的低温造成影响。冷屏3和辐射障板7上也设置有温度传感器，对冷屏3和辐射障板7的温度进行监测。系统控制器会比较温度传感器传输的实时数据与预设的安全温度范围，以检查系统是否处于该阶段正常运行状态。如果检测到温度超出预定范围，控制器可能会调整工作参数，以防止系统过热。在泵壳2与冷屏3之间也设置有具有耐辐照特点的温度传感器，对泵壳2与冷屏3之间的温度进行监测。
41.真空室中的气体通过阀门1进入低温泵中的流体通道中，而辐射障板7呈圆台环面形状并以一定的间距在低温冷板6内侧堆叠形成的柱形通道，设置在低温冷板6和柱形体通道之间，对从真空泵进入低温泵中的气体进行预冷。
42.阀门1、推动组件8与气缸组件11通过同轴安装和配合的方式连接在一起，推动组件8与系统控制器连接，系统控制器通过控制推动组件8与气缸组件11控制阀门1的打开和关闭。
43.在一种可能的实施方式中，所述低温泵还包括用于固定所述感应线圈的线圈夹持结构；所述线圈夹持结构包括基座和与所述基座配合安装的夹具；所述基座与所述夹具配合安装时，所述感应线圈被夹在所述基座与所述夹具之间；所述基座与所述夹具与所述感应线圈接触的位置设置有陶瓷筒，用于在所述感应线圈通电时，所述线圈夹持结构与所述感应线圈隔离。
44.具体地，图4为本发明实施例提供的一种线圈夹持结构示意图。
45.如图4所示，感应线圈5被夹在基座404与夹具401之间，通过第一螺栓组件402紧固，将感应线圈5固定，线圈夹持结构4用于固定感应线圈5，以及保障感应线圈5和低温冷板6的相对位置不发生变化，起到了稳定的支撑和定位作用。基座404和夹具401中间安装第一绝缘陶瓷筒403，通过第一绝缘陶瓷筒403在夹持感应线圈5的同时，将基座404和夹具401与感应线圈5电隔离，保证了系统的稳定性和安全性。
46.在一种可能的实施方式中，所述低温泵中还设置有压力传感器和设置在所述泵壳的所述第二端的泄压阀，所述泄压阀通过设置在所述泵壳所述第二端的泄压阀接口与所述低温泵内部连通；所述压力传感器连接所述系统器，所述压力传感器用于监测所述系统内的压力信号，并将所述压力信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器用于在接收所述压力信号后，调节所述可调射频源的所述工作参数，或控制所述泄压阀的启闭。
47.具体地，如图1所示，低温泵中设置的压力传感器采用高精度压力变送器。压力变送器动态监测低温泵内压力，并将采集到的压力信号传送给系统控制器。另外压力传感器还具有温度补偿特点，防止温度过高或过低，导致压力传感器测量不准确。压力传感器的敏感单元与感应线圈之间设有间隙，压力传感器具有屏蔽功能且已经过校准，以提高其抗干扰能力和精度。
48.泵壳2第二端的泄压阀通过泵壳2上的泄压阀接口12连接低温泵，为低温泵运行全阶段提供超压保护。系统控制器根据实时压力信号和预定的压力标准来评估系统的工作状态。如果压力过高或过低，控制器会通过调整系统内流体阀门1开启状态或调整机械泵抽速来改变压力至正常范围。主要是在感应加热快再生阶段，防止气体再生过快对低温泵内组件造成损坏。当低温泵内由于再生速度过快导致低温泵内的压力值超过预设在系统中的低温泵可承受的安全值时，系统控制器控制泄压阀打开。
49.在一种可能的实施方式中，还包括连接在所述感应线圈和所述可调射频源之间连接的阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于匹配所述感应线圈和所述可调射频源的阻抗，以使所述可调射频源向所述感应线圈传输的能量最大化。
50.如图1所示，感应线圈5和可调射频源之间连接的阻抗匹配单元，将感应线圈5和可调射频源的阻抗进行匹配，使可调射频源向感应线圈5传输能量的效率最大化。
51.在一种可能的实施方式中，所述低温泵还包括设置在所述泵壳的第二端的电极法兰；所述感应线圈内还设置有用于流通第二冷却介质的第二冷却通道；所述感应线圈穿过所述电极法兰，在所述电极法兰一侧预留有线圈引出段；所述线圈引出段为所述感应线圈的一部分，所述线圈引出段用于连接外部冷水机，将所述第二冷却通道内的第二冷却介质与所述外部冷水机的第二冷却介质进行循环，从而带走所述感应线圈产生的焦耳热；所述电极法兰上设置有连接所述线圈引出段的电极接口，所述电极接口用于将所述可调射频源产生的电流引入所述感应线圈。
52.具体地，感应线圈5产生磁场在低温冷板6上产生感应热时，感应线圈5由于有电流通过，温度升高导致线圈的电阻率升高，造成感应磁场削弱，加热效率降低。在感应线圈5内部设置第二冷却通道，通过水循环，可以使系统控制器维持感应加热电流的动态平衡，并且
能降低感应线圈5自身的焦耳热。
53.图5为本发明实施例提供的一种电极法兰结构示意图.如图5所示，感应线圈5由低温泵内部引出至泵壳2的第二端，并穿过电极法兰9，在电极法兰9的一侧留有与外部冷水机进行水循环的线圈引出段，电极法兰9的电极法兰盖902通过第二螺栓组件901固定在泵壳2上。第二冷却介质通过线圈引出段端口的冷却回路接口501实现第二介质在感应线圈5内部的第二通道与外部冷水机之间的循环。在本技术中，水作为第二介质。另外电极法兰9上的电极接口502连接线圈引出段，将可调射频源产生的电流引入感应线圈5，电极法兰9与线圈引出段接触的部分设置有第二绝缘陶瓷筒903。
54.为了更清楚的介绍本发明实施例提供的低温泵再生系统，以下结合图6，详细介绍该系统的处理方法。
55.如图6所示，该再生方法包括以下步骤：步骤101，控制低温泵阀门开启之后，在真空室与抽气系统通道打开的情况下，获取质谱仪采集的所述低温泵内的第一气体含量。
56.具体地，系统控制器控制低温泵的阀门1开启，也就是说真空室与抽气系统为连通状态，真空室中的气体可通过阀门1进入低温泵内，此时低温泵处于抽气状态。在低温泵抽气状态下，质谱仪对低温泵中的第一气体含量进行实时监测，并将监测结果同步至系统控制器。
57.步骤102，确定所述第一气体含量是否达到预设值；所述预设值存储在系统控制器的控制程序中。
58.具体地，托卡马克装置许用值是指能够使托卡马克装置正常运行的真空室中可容许的氘氚气体含量的最大值，在本发明中，预设值设定为最大值的百分之八十。系统控制器接收到第一气体含量并将第一气体含量的具体数值大小与系统控制器的控制程序中存储的预设值的大小进行对比。。
59.步骤103，当确定所述第一气体含量达到所述预设值时，控制所述阀门关闭。
60.具体地，系统控制器将接收到的第一气体含量的数值与预设值进行对比，当第一气体含量的数值与预设值相同时，说明当前低温泵的抽气能力已经饱和，系统控制器通过控制推动组件8关闭当前低温泵的阀门1，同时开启另外一组低温泵运行，对真空室进行抽气。
61.步骤104，控制可调射频源打开，以使感应线圈产生的磁场使低温冷板产生感应电流而温度升高。
62.具体地，关闭当前低温泵的阀门1之后，对当前低温泵中吸附的气体进行解吸。系统控制器控制可调射频源打开，向感应线圈5提供电流，使感应线圈5产生磁场，磁场作用于低温冷板6使低温冷板6产生电流而温度升高。当低温冷板6的温度超过气体冷凝或吸附温度时，冷凝或吸附在低温冷板6上的气体逐渐解吸，充斥在低温泵内。
63.步骤105，控制机械泵开启，以对所述低温泵抽气，使所述低温泵内产生的气体排出。
64.具体地，系统控制器控制低温泵进入解吸阶段后，开启机械泵，使机械泵对低温泵进行抽气，将低温泵中解吸的气体抽出。
65.步骤106，通过温度传感器对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所
述可调射频源的参数进行调节。
66.具体地，在进入解吸阶段后，通过设置在低温冷板6处的温度传感器对低温冷板6的温度进行监测，并在温度未达到控制程序中预设的温度时，调整可调射频源的参数，以保证解吸阶段进行。
67.步骤107，从所述质谱仪获取预设第一时间段内的所述低温泵内的第二气体含量的变化情况。
68.具体地，在机械泵对低温泵进行抽气时，系统控制器通过质谱仪获取第一时间段内低温泵中氘氚气体的含量变化情况。抽气过程中，低温泵中氘氚气体的含量为第二气体含量。
69.步骤108，根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，并在确定所述解吸阶段完成后，向所述低温冷板的第一冷却通道中通入第一冷却介质，以使所述低温冷板的温度降至预设吸附温度，以使所述低温泵重获抽气能力。
70.具体地，随着解吸阶段的进行，低温泵中解吸的气体含量越来越少，系统控制器根据获取的第一时间段内第二气体含量的变化情况确定低温泵是否完成解吸。当系统控制器确定解吸阶段完成后，此时低温冷板6还留有一定余温，系统控制器通过向低温冷板6的第一冷却通道604内通入液氦，以快速降低低温冷板6的温度。
71.在一种可能的实施方式中，所述对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所述可调射频源的参数进行调节，具体包括：获取温度传感器传输的低温冷板的温度信号，并根据所述温度信号确定所述低温冷板的温度是否达到所述气体的目标解吸温度；当确定所述温度信号未达到所述目标解吸温度时，调大可调射频源的电流以增加感应线圈作用于所述低温冷板上的感应热。
72.具体地，系统控制器获取到设置在低温冷板6处温度传感器监测的温度信号，并根据温度信号中包含的具体温度值与控制程序中预设气体的目标解吸温度值进行比较。目标解吸温度值是使吸附在低温冷板6上的氘氚气体可以顺利解吸的温度。
73.系统控制器将获取的低温冷板6的温度值与目标解吸温度值比较之后，当判断低温冷板6的温度值小于目标解吸温度，系统控制器调整可调射频源的工作参数，即增大输出功率，感应线圈5作用在低温冷板6上的感应电流增加，使低温冷板6的温度升高。当系统控制器判断低温冷板6的温度值达到目标解吸温度时，则不对可调射频源调整。
74.在一种可能的实施方式中，所述根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，具体包括：当所述第二气体含量变化时，确定所述低温泵的解吸阶段未完成；当所述第二气体含量未变化时，确定所述低温泵的解吸阶段完成。
75.具体地，系统控制器从质谱仪处获取解吸阶段低温泵中的第二气体含量的变化情况之后，根据第二气体含量的变化情况判断解吸阶段是否完成。解吸阶段未完成时，在一段时间段内，氘氚气体含量在逐渐减小，也就是说第二气体含量有变化。而当解吸阶段完成后，低温泵中已没有解吸的气体，第二气体含量几乎均为0，一段时间之后，低温泵中第二气体含量仍为0，几乎没有变化。
76.综上所述，本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系
统及方法，应用于托卡马克装置，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程；所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数；所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板的温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；该低温泵再生系统通过感应加热加热低温冷板并利用感应电流的集肤效应实现低温冷板表层快速升温，从而使低温泵快速再生。另外，根据温度传感器传输的温度信号，可以通过调整可调射频源的工作参数实现低温泵解吸时对低温冷板温度的精确控制。
77.需要说明的是，系统控制器获取分布的温度信息与整体的压力信息后，会对温度数据与压力数据进行处理和分析，并根据分析处理结果调整可调射频源。这些数据来自系统的各个关键部分，为保证系统的稳定性和有效性，它们必须经过综合分析与处理。系统控制器包含一个数据处理单元，该单元将所有接收到的传感器数据集成在一起，并使用先进的算法进行解析，以确定系统的当前状态以及系统所处阶段的完成程度。对于温度数据，控制器会比较实时数据与预定的安全温度范围，以检查系统是否处于该阶段正常运行状态。如果检测到温度超出预定范围，控制器可能会调整工作参数，以防止系统过热。对于压力数据，控制器将根据实时压力数据和预定的压力标准来评估系统的工作状态。如果压力过高或过低，控制器会通过调整系统内流体阀门开启状态或调整机械泵抽速来改变压力至正常范围。
78.经过分析处理后，当系统检测到偏离正常工作条件时，控制器将做出反向调整以纠正偏差。具体来说，控制器可以通过改变可调射频源的频率、功率或其它可调参数来达到预期该阶段系统的温度和压力条件。整个控制过程是实时且连续的，确保了系统的稳定运行，且能对突发的温度或压力变化做出快速响应。这种智能化的控制系统大大增强了系统的可靠性和效率，为实现更高的性能标准提供了可能。
79.图7为本发明实施例提供的一种基于感应加热方法的镀镍不锈钢板层低温冷板升温曲线与不锈钢低温冷板升温曲线对比图。
80.如图7所示，横坐标表示时间，单位为min，竖坐标表示温度，单位为k，通过模拟手
段，可以比较该方法与传统方法的升温速率。图7中上方的曲线为带有镍涂层316l不锈钢板层，下方曲线为普通的316l不锈钢板层，没有镍涂层，商业低温泵中应用的低温冷板为没有镍涂层的316l不锈钢板层。在采用感应加热的前提下，相同时间内，带有镍涂层316l不锈钢板层的升温速率大于没有镍涂层的不锈钢板，也就是说，同等温度变化范围下，相比于需要数小时再生的商业低温泵，使用本发明所述的方法可以实现显著快速升温。这种快速升温有助于提高生产效率，并减少了加热过程中的能耗。这种快速升温有助于保障托卡马克真空室等离子体放电稳态运行，并有助于减少抽气系统低温泵组数量。
81.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
82.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统，其特征在于，应用于托卡马克装置，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；所述低温泵与所述托卡马克装置的真空室连接，所述低温泵用于冷凝所述真空室中的气体和吸附反应产物，以保证所述真空室的真空度；所述质谱仪连接在所述低温泵和所述系统控制器之间，所述质谱仪用于对所述低温泵内的所述气体含量进行监测，以判断所述低温泵的抽气效果以及再生进程；所述低温泵包括泵壳以及在所述泵壳内圆周阵列分布的低温冷板，所述泵壳的第一端设置有阀门，所述系统控制器用于根据所述抽气效果和所述再生进程控制所述阀门的打开与关闭，以控制所述气体的流入；所述低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，所述镍层外侧为吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述气体与所述反应产物至所述吸附剂表面；所述低温泵还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于对所述低温泵中至少一个结构进行温度监测，并生成温度信号；所述温度传感器连接所述系统控制器，并将所述温度信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器与所述可调射频源连接，所述系统控制器用于对所述温度信号判断，并根据判断结果控制调节所述可调射频源的工作参数；所述可调射频源还与螺旋连接在所述低温冷板圆周外部的感应线圈电连接；所述可调射频源用于向所述感应线圈提供电流，以使所述感应线圈产生磁场；所述磁场作用于所述低温冷板，使所述低温冷板产生感应电流而温度升高，从而使吸附在所述低温冷板上的所述气体解吸；所述泵壳的第二端还设置有排气口，所述机械泵通过所述排气口与所述低温泵内部连通；所述机械泵用于在所述低温泵再生之后，通过所述排气口抽取所述低温泵中解吸的所述气体；所述低温冷板内设置第一冷却通道，所述第一冷却通道用于通入第一冷却介质后，降低所述低温冷板的温度，以使所述低温泵重获抽气能力。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温泵还包括推动组件、冷屏和辐射障板；所述冷屏位于所述泵壳和所述感应线圈之间，所述冷屏一方面用于吸收所述感应线圈通电产生的焦耳热，另一方面用于隔绝所述泵壳外部的热辐射；所述辐射障板位于所述低温冷板内侧，用于对进入所述低温泵中的气体进行预冷；所述推动组件连接阀门，所述推动组件用于控制所述阀门的打开和关闭。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温泵还包括用于固定所述感应线圈的线圈夹持结构；所述线圈夹持结构包括基座和与所述基座配合安装的夹具；所述基座与所述夹具配合安装时，所述感应线圈被夹在所述基座与所述夹具之间；所述基座与所述夹具与所述感应线圈接触的位置设置有陶瓷筒，用于在所述感应线圈通电时，所述线圈夹持结构与所述感应线圈隔离。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温泵中还设置有压力传感器和设置在所述泵壳的所述第二端的泄压阀，所述泄压阀通过设置在所述泵壳所述第二端的泄压阀接口与所述低温泵内部连通；
所述压力传感器连接所述系统器，所述压力传感器用于监测所述系统内的压力信号，并将所述压力信号传输至所述系统控制器；所述系统控制器用于在接收所述压力信号后，调节所述可调射频源的所述工作参数，或控制所述泄压阀的启闭。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括连接在所述感应线圈和所述可调射频源之间连接的阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于匹配所述感应线圈和所述可调射频源的阻抗，以使所述可调射频源向所述感应线圈传输的能量最大化。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低温泵还包括设置在所述泵壳的第二端的电极法兰；所述感应线圈内还设置有用于流通第二冷却介质的第二冷却通道；所述感应线圈穿过所述电极法兰，在所述电极法兰一侧预留有线圈引出段；所述线圈引出段为所述感应线圈的一部分，所述线圈引出段用于连接外部冷水机，将所述第二冷却通道内的第二冷却介质与所述外部冷水机的第二冷却介质进行循环，从而带走所述感应线圈产生的焦耳热；所述电极法兰上设置有连接所述线圈引出段的电极接口，所述电极接口用于将所述可调射频源产生的电流引入所述感应线圈。7.一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的系统，所述方法包括：控制低温泵阀门开启之后，在真空室与抽气系统通道打开的情况下，获取质谱仪采集的所述低温泵内的第一气体含量；确定所述第一气体含量是否达到预设值；所述预设值存储在系统控制器的控制程序中；当确定所述第一气体含量达到所述预设值时，控制所述阀门关闭；控制可调射频源打开，以使感应线圈产生的磁场使低温冷板产生感应电流而温度升高；控制机械泵开启，以对所述低温泵抽气，使所述低温泵内产生的气体排出；通过温度传感器对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所述可调射频源的参数进行调节；从所述质谱仪获取预设第一时间段内的所述低温泵内的第二气体含量的变化情况；根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，并在确定所述解吸阶段完成后，向所述低温冷板的第一冷却通道中通入第一冷却介质，以使所述低温冷板的温度降至预设吸附温度，以使所述低温泵重获抽气能力。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述低温冷板的温度进行监测，并根据监测结果对所述可调射频源的参数进行调节，具体包括：获取温度传感器传输的低温冷板的温度信号，并根据所述温度信号确定所述低温冷板的温度是否达到所述气体的目标解吸温度；当确定所述温度信号未达到所述目标解吸温度时，调大可调射频源的电流以增加感应线圈作用于所述低温冷板上的感应热。9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二气体含量的变化情况确定所述低温泵是否完成解吸阶段，具体包括：
当所述第二气体含量变化时，确定所述低温泵的解吸阶段未完成；当所述第二气体含量未变化时，确定所述低温泵的解吸阶段完成。

技术总结
本发明实施例提供的一种适用于托卡马克稳态运行的低温泵快再生系统及方法，包括低温泵、机械泵、质谱仪、可调射频源与系统控制器；质谱仪对低温泵内的气体含量进行监测；低温泵中的低温冷板包括单侧镀有镍层的不锈钢板层，镍层外侧为吸附剂；系统控制器根据对温度信号的判断结果控制调节可调射频源的工作参数；可调射频源向感应线圈提供电流，感应线圈产生的磁场使低温冷板产生电流而温度升高；该低温泵再生系统通过感应加热加热低温冷板并利用感应电流的集肤效应实现低温冷板表层快速升温，从而使低温泵快速再生。另外，根据温度传感器传输的温度信号，可以通过调整可调射频源的工作参数实现低温泵解吸时对低温冷板温度的精确控制。确控制。确控制。


技术研发人员：宋云涛 陈肇玺 陈仕琳 杨庆喜 余清洲 张程鹏 于志航
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20